автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Поверхность контакта фаз, тепло- и масообмен на пластинчатых тарелках

ВВЕДЕНИЕ .I

ГЛАВА I. Литературный обзор . . ".з

1. Поверхность контакта фаз

1.1. Методы определения поверхности контакта фаз в двухфазных системах газ-жидкость

1.2. Сравнительная характеристика методов определения поверхности контакта фаз

1.3. Опытные данные на пластинчатых тарелках .ю

1.3.1 - Поверхность контакта фаз.ХО

1.3.2.- Массообмен

2. Метод светорассеяния под малыми углами

2.1. Теоретические основы метода . Х

2.2. Экспериментальные работы по использованию метода светорассеяния под малыми углами

Цель исследования

ГЛАВА П. Экспериментальная часть.

1. Описание экспериментальной установки

2. Методика определения контрастности эмульсии фотопластинки

3. Определение спектра распределения капель по размерам.

3.1. Погрешности измерений методом светорассеяния под малыми углами.

4. Методика расчета среднего радиуса капель и удельной поверхности газ-жидкостной смеси.

5. Методика проведения экспериментов по определению запаса жидкости и поверхности контакта фаз на тарелке.

6. Определение гидравлического сопротивления

7. Методика проведения экспериментов по испарению воды в воздух.

ГЛАВА Ш. Обработка и обобщение опытных данных.

1. Гидравлические исследования на системе вода-воздух.

1.1. Распределение капель по размерам

1.2. Средний радиус и удельная поверхность контакта фаз.

1.3. Скорость капель и запас жидкости на тарелке .'.

1.4. Поверхность контакта фаз на тарелке

2. Влияние физических свойств на характеристики дисперсной среды и поверхность контакта фаз на тарелке.

2.1. Влияние вязкости

2.2. Влияние добавки поверхностно-активных веществ.

ГЛАВА IУ. Исследование совместного тепло- массообмена.

ВЫВОДЫ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В химической технологии большое значение имеют массообменные процессы. Они широко распространены также в нефтехимической,коксохимической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. Для проведения массообменных процессов широко используются колонные аппараты тарельчатого типа, в которых проводят абсорбцию и ректификацию - наиболее важные стадии многих производств.

До недавнего времени основным гидродинамическим режимом работы тарельчатых аппаратов был барботажный. В колоннах с барбо-тажными тарелками взаимодействие жидкости и газа (пара) приводит к образованию на тарелке газо-жидкостной системы, в которой дисперсной является газовая фаза. Ранее было установлено, что бар-ботажные тарелки имеют сравнительно невысокий предел нагрузок по жидкости и газу (пару), дальнейшее увеличение которого без существенного изменения принципа взаимодействия фаз на тарелке не представляется возможным. В связи с этим разработаны и внедрены тарелки с однонаправленным движением потоков. К ним относятся и пластинчатые тарелки. На этих тарелках при нормальной работе сплошной фазой является газ, а дисперсной - жидкость.

К достоинству пластинчатых тарелок относятся высокие допускаемые нагрузки, конструктивная простота, низкое гидравлическое сопротивление, малая металлоемкость.

Колонны с пластинчатыми тарелками в течение ряда лет успешно работают в промышленности для осуществления процессов абсорбции, охлаждения и промывки сланцевого и коксового газов /1-3I . Опыт эксплуатации этих колонн на сланцеперерабатывающем комбинате в г.Кохтла-Ярве и Московским коксогазовом заводе подтверждают их надежную и эффективную работу, экономичность и перспективность применения в подобных процессах.

Одним из важнейших факторов, определяющим эффективность массообменных аппаратов, является поверхность соприкосновения между газом (паром) и жидкостью. Для определения межфазной поверхности разработаны и используются различные методы. Ни один из этих методов не может считаться универсальным, каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Так, они мало пригодны для определения удельной поверхности и распределения частиц по размерам в системах, где жидкость дисперсная фаза, в частности на тарелках, работащих в капельном режиме. Одним из методов, позво-лящим решить эту проблему, является метод рассеяния света под малыми углами.

Этот метод практически не использовался для исследования работы тарельчатых аппаратов, хотя достаточно широко применялся для определения распределений частиц жидкости в паровых потоках турбин, мутности сред, спектра капель в факеле пневмоматических форсунок и др. Известна одна работа по определению дисперсности воздушно-водяной смеси в трубе Бентури,

Б настоящей работе была поставлена цель применить этот метод для нахождения распределения капель газ-жидкостной дисперсной смеси по размерам, определить средний поверхностно-объемный диаметр частиц, удельную и истинную поверхности контакта на пластинчатых тарелках, а также влияние физических свойств жидкости и добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) на эту поверхность. В работе также исследовались тепло-массообменные характеристики тарелки. Знание этих величин необходимо для более глубокого анализа работы колонн с пластинчатыми тарелками, разработки более точных методик технологического расчета и дальнейшего усовершенствования конструкции аппаратов.

- 3

ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование по определению возможности использования метода светорассеяния под малыми углами для определения спектра распределения частиц по размерам, среднего поверхностно-объемного радиуса капельи удельной поверхности контакта фаз

Оу (м^/мЗ) на пластинчатых тарелках. Установлено, что: а) Распределение капель по размерам подчиняется нормальному закону распределения; б) Найдено, что законы распределения капель по размерам аналогичны при диспергировании жидкости потоком газа как при малых скоростях (1,5*2,5 м/с), так и при больших (40*120 м/с); в) Средний поверхностно-объемный радиус и удельная поверхность контакта фаз не зависят ни от интенсивности орошения ни от скорости газа в колонне.

2. Определены скорость движения капель и запас жидкости на тарелке методом скоростного фотографирования газо-жидкостной дисперсной среды. Получены эмпирические зависимости для расчета скорости капель и запаса жидкости на пластинчатых тарелках.

3. Определена поверхность контакта фаз на тарелках и показана зависимость ее от скорости газа в колонне и интенсивности орошения. Установлено, что при капельном режиме работы тарелок поверхность межфазного контакта м^/м^ пропорциональна интенсивности орошения и обратнопропорциональна скорости воздуха.

4. Проведено исследование по определению влияния вязкости жидкости и добавок ПАВ на распределение частиц по размерам, на средний поверхностно-объемный диаметр и поверхность контакта фаз. Получены эмпирические зависимости для расчета поверхности контакта фаз при диспергировании жидкости газовым потоком на тарелках с направленным вводом газа.

5. Проведено исследование процесса совместного тепло- массо-обмена на примере охлаждения воздуха водой. Найдено, что коэффициенты массоотдачи в газовой фазе, рассчитанные из коэффициентов теплоотдачи с помощью соотношения Льюса, хорошо коррелируются с опытными данными других исследователей по десорбции хсГрошо растворимого в воде газа. Получены зависимости коэффициентов тепло-и массоотдачи от скорости газа и расхода жидкости.

Предложенные зависимости можно рекомендовать для использования в расчетной практике при проектировании колонных аппаратов с пластинчатыми тарелками.

- 96

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 1ЩФ - интенсивность света ,и степень почернения наличии частиц; 10,Фй- то же в отсутствии частиц; р - контрастность фотоэмульсии;

Мр - Функция распределения дисперсии: >по размерам; р в=уг- угол рассеяния, рад; - текущий радиус пятна, мм? Г -фокусное расстояние, мм; отношение периметра частиц к длине волны Я падающего А света;

Р - радиус капель, мкм; о

ОI/ - удельная поверхность контакта фаз, отнесенная к I м жидкости, и? /и?; скорость движения капель на тарелке, м/с; о ц - интенсивность орошения, м /м.с;

- свободное сечение тарелки, м^/м^» Ь0 - запас жидкости на тарелке, отнесенный к I м3 колонны, м; о о

4 - расстояние, пройденное каплей за время экспозиции, м; О$ - поверхность контакта фаз, отнесенная к I и? колонны, м^/м^; IV - скорость газа в колонне, м/с; (?сух~ количество сухого воздуха, кг/ч; 1 - энтальпия влажного воздуха, отнесенная к I кг сухого воздуха; Дж/кг;

Г - удельная теплота испарения при средней температуре воды, Дж/кг;

Сп - средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, Дж/кг»град, ; лЬср- средняя разность температур теплоносителей, град. ; аЬссредняя температура воздуха, град. ; средняя температура воды, град. ;

Гт - площадь тарелки, к? ; CÍQ¿ - коэффициент теплоотдачи, отнесенный к I м2 площади тарелки; J3Cl$ ~ коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный к I м2 площади тарелки; дРс - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па; лРг иГ гидравлическое сопротивление газо-жидкостной смеси, Па; о

- плотность чистой жидкоси, кг/м ;

J ж

JU - вязкость жидкости, Ша.с ; С7 - поверхностное натяжение жидкости, мй/м .

1. Масумов Д.И., Плановский А.Н., Дытнерский Ю.И., Рохумяги М.А. К рассчету массообмена на пластинчатых тарелках, Азерб.нефт. хоз-во, Баку, 1967, № 5, с.

2. Рохумяги М.А. Улавливание бензольных углеводородов в абсорберах с пластинчатыми тарелками, Кокс и химия, M., 1968, Металлургия, № 7, с.33-37.

3. Рохумяги М.А. Добыча и переработка горючих сланцев, Тр. института сланцев, M., 1969, Недра, вып.18, с.75.

4. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М., Энергия, 1968, 423с.

5. Соу С. Гидродинамика многофазных систем. М., Мир, 1971,536с.

6. Хинце И.С. Турбулентность, ее механизм и теория. М., Физматгиз, 1963, 680с.

7. Родионов А.И., Радиковский Б.М. О дисперсности пенного слоя и о методе определения среднего размера пузырька. Б кн.: Массообменные процессы химической технологии. - Л., 1965, с.32.

8. Родионов А.И., Кашников А.М., Радиковский Б.М. Определение числа тарелок в абсорбционной колонне по поверхности фазового контакта. Тр. МХТИ им.Д.И.Менделеева, 1964, вып.47, с.5.

9. Ziegel G. Ein Beitrag Zu Gas-Flussig-Phasengrenzblâchen in Bodenkolonnen: Dissertation/Technische Hochschule fur ChemieLeine-Merseburg, 1972, 152 s.

10. Calderbank P.H., Evans P., Reinnie. The mass TranSfer efficiency of distillation and gas-absorption plate columns. -In: distillation. Symposium series/inst. Chem. Engrs, London, 1960, p. 51.

11. Родионов А.И., Кашников A.M., Ульянов Б.А., Шпагин Н.С., Строганов Е.Ф. Определение поверхности контакта фаз методом отражения светового потока. Хим.пром., 1967, $ 3, с.209.

12. Родионов А.И., Кашников A.M., Ульянов Б.А. Определение межфазной поверхности на провальных тарелках методом светоотраде-ния. В кн.: Массообменные процессы химической технологии. - Д., 1965, с.34.

13. Calderbank Р.Н. Physical rate processes in industrial fermentation the interficial area in gas-liquid contacting with Mechanical agitation. Trans. Inst. Chem. engrs, London, 1958» vol. 36, N б, p. Ц-Ц-3-Ц-63.

14. Abdell-Aal H.K., Stiles G.B., Holland C.D. Formation of interfacial area of high plates of gas flow through Submerged orifices. Jour. A.I. Gh. E., New York, 1966, vol. 12, N 1, p.174.

15. Родионов А.И., Ульянов Б.А., Кашников A.M., Строганов Б.Ф. Способ определения поверхности!контакта фаз. Бюлл.изобретений, 1968, № 10, авт.свид. £ 213409.

16. Родионов А.И., Ульянов Б.А., 0 степени неравномерности газожидкостного слоя на провальных тарелках. В кн.: Массообменные процессы химической технологии. - Д., 1968, с.143.

17. Ульянов Б.А., Родионов А.И., Буренко В.А., Щелкунов Б.И. Поверхность контакта на провальных тарелках ректификационных колонн. Изв.вузов, сер. Химия и хим.технология, 1978, т.21, № 12, с.1815.

18. Шубников А.В. Оптическая кристаллография. М., 1950,276с.

19. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика. М., 1961, 822 с.

20. Шерклифф У. Поляризованный свет. М., 1961, 264с.

21. Burgess I.M., Calderbank Р.Н. The measurment of bubble Parameters in Two-Phase dispersions. Chem.Eng.sci., London, 1975? vol. 30, p. 74-3.

22. Тарат Э.Я., Ковалев O.C., Щепин В.И. О взаимодействии газовых пузырьков с датчиками в газожидкостных структурах. В кн.? Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах.-Иркутск, 1976, с.51.

23. Березин Р.В., Тарат Э.Я., Туболкин А.Ф. Стереометрический способ определения газосодержания в пенном слое. Цветные металлы, 1974, £ 8, с.81.

24. Родионов А.И., Винтер А.А. Исследование процессов абсорбции, сопровождаемой химической реакцией, в тарельчатых колоннах. ТОХТ, 1967, т.1, Л 4, с.481.

25. Родионов А.И., Винтер А.А. Исследование химическим методом поверхности контакта фаз на ситчатых тарелках. Изв,вузов. Сер.Химия и хим.технология, 1966, т.9, Л 6, с.970; 1967, т.10, £ I, с.102.

26. Yoshida P., Miura Y. Effective interfacial area in packed Columns for absorption with chemical reaction. Jour. A.I.Ch.E.,

27. Waal K.L., Beek W.I. A Comparison between chemical absorption with rapid first order reactions and physical absorption in one packed column. Chem.Eng.Sci., London, 1967, vol. 22,p. 585.

28. Родионов А.И., Зенков Б.Б. Определение поверхности контакта фаз при окислении растворов сульфита натрия кислородом воздуха в колонне с провальной тарелкой. Изв.вузов. Сер.Химия и хим.технология, 1970, т.13, № 12, с.1805.

29. Nuvlt V., Kastanec F. Measurement of interfial area inbubble Columns by sulphite method.- Collect.Czech.Chem.Commun,1975, vol. 40, p. 185332. Dillon G.B., Harris I.J. The determination of mass transfer

30. Coefficients and interfacial areas in gas-liquid Contacting Systems.

31. Juvekar V.A., Sharma M.M. Chemical methods of determinationof liquid -side mass transfer Coefficient and effective interfacial area in gas-liquid contactors.- Chem.Eng.Sci., London, 1973, vol. 28 p. 976.

32. Eben C.D., Pigford R.L. Gaz absorption with chemical reaction on a sieve Tray. Chem.Eng.Sci., London, Pergamon Press, 20, 9, 803, 1965.

33. Galderbank P.H., Rennie J. The physical properties of foams and froths formed on sieve-plates. Trans.instn.Chem.Engrs, London, 40, 1, 3, 1962.

34. Родионов А.И. Поверхность контакта фаз и массопередача в тарельчатых колоннах. Автореф. дисс. на соиск. учен.степ, д-ра техн.наук, МХТИ им.Д.И.Менделеева, М., 1969, 29с.

35. Ульянов Б. А. Поверхность контакта.фаз и массообмен в тарельчатых ректификационных аппаратах, Изд-во Иркут.ун-та, 1982, 130с.

36. Фахми М.Ф. Некоторые вопросы гидродинамики и массопереда-чи в колонне с пластинчатыми тарелками, Канд.диссертация, МХТИ, 1970.

37. Масумов А.И. Исследование гидродинамики и массообмена в колоннах с пластинчатыми тарелками, Канд.диссертация, МИХМ, 1966.

38. Дытнерский Ю.И. Исследование гидравлики, массо- и теплообмена в тарельчатых аппаратах, Автореферат докторской диссертации, МИХМ, 1968, 47с.

39. Байвель Л.П., Лагунов А.С. Измерения и контроль дисперсности частиц методом светорассеяния под малыми углами. М., Энергия, 1977, 73с.

40. Chin J.H., Sliepcevich С.М., Tribus М. Particle size distributions from angular variation of intensity of forward-scattered J.Phys.Chem. 59(9), p. 84-1-844 , 1955.

41. Шифрин К.С. Вычисление некоторого класса определенных интегралов, содержащих квадрат бесселевой функции первого рода. -Труды ВЗЛТИ, 1956, вып.2, с.108-121.

42. Chin J.H., Sliepcevich С.М., Teibus М. Determination of particle size distributions in polydispersed systems by means of measurments of angular variation of intensivity of forward-scatterec light at very small angles, J. Phys.Chem. 59, 845-848 (1955).

43. Gumprecht R.O., Sliepcevich C.M. Scattering of Light bylarge spherical particles, J. Phys.Chem. 57, 90-95 (1953;.

44. Snedden I.N. "Fourier Transformation", Mc Graw-Hill Book

45. Co., inc., New York, 1951, p. 7.

46. Titchmarch E.G. Proc. London Math.Soc., 23, XXIII ( 1925).

47. Шифрин K.G. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию. В кн.: Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света, Шнек, Наука и техника, 1971, с.228-244.

48. Шифрин К.С., Голиков В.И. Измерения микроструктуры методом малых углов. Труды IT0, 1964, вып.152, с.3-15.

49. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. Л., Энергия, 1967, 326с.

50. Ван-Дер-Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М., изд. Иностр.лит., 1966, 536с.

51. Шифрин К.С. Оптические исследования облачных частиц.и-В сб.: Исследование облаков, осадков и грозового электричества, М., Гидрометеоиздат, 1957, с.119-124.

52. Лагунов A.C., Байвель Л.П., Гусев Б.А., Базаров С.М., Нахман Ю.В., Поволоцкий Л.В. Прибор для непосредственной записи индикатрисы рассеяния света при измерениях дисперсности жидкой фазы, взвешенной в потоке. Труды ЦКТИ, 1966, вып.65, с.48-51.

53. Лагунов A.C., Байвель А.П., 1>сев Б. А., Литвинов В.К. Универсальный электронно-оптический прибор для контроля спектра размеров частиц. Приборы и системы управления, 1974, $ 6, с.28.

54. Петров Г.Д., Соколов Р.Н., Васильев В.А., Капков A.M. Измерение распределения по размерам взвешенных в потоке частиц методом малых углов. Инженерно-физический журнал, 1969, с.428-112.

55. Лагунов A.C., Лебедюк Г.К., Байвель Л.П., Гусев Б.А., Литвинов В.К. Исследование дисперсности капель и гидравлического сопротивления скруббера Вентури в зависимости от положения распылителя. Промышленная и санитарная очистка газов, 1973, № 1,с.1-2.

56. Щифрин К.С., Голиков В.И. Исследование прибора для измерения спектра частиц методом малых углов. Труды IT0, 1965, вып. 170, с.127-139.

57. Лавров Б.Е. Исследование улавливания грубодисперсной пыли каплями распыленной жидкости. Автореф.дисс. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук. Алма-Ата, 1974, 24с.

58. Поволоцкий Л.В. Воздушно-водяное охлаждение рабочих лапа-ток газовых турбин. Энергетическое машиностроение, 1965, вып.10, с.12-13.

59. Поволоцкий JI.B. Исследование внешнего воздушно-жидко с т-ного охлаждения рабочих лопаток ГТУ. Автореф.дисс. на соиск.степ, канд.техн.наук., Л., 1967, 15с.

60. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы, туманы. Ji., Химия, 1969, 428с.

61. Богданович С.Я., Гусейнов У.С., Шевский А.И. Экспериментальное определение дисперсности капель в потоке природного газа. Киев, Труды Укрниигаз, 1970, в.5(9), с.19-25.

62. Богданович С.Я., Шевский А.И., Оптический метод исследования структуры дисперсной фазы в газовом потоке. В сб.: Развитие газовой промышленности Украинской ССР, М., Недра, 1970, с.247-251.

63. Лагунов A.C., Лебедюк Г.К., Байвель Л.II., Гусев Б.А., Литвинов В.К. Исследование процесса укрупнения капель жидкости в скруббере Вентури. Промышленная и санитарная очистка газов, 1973, J6 6, с.1-3.

64. Соколов Р.Н., Кудревицкий Ф.А., Петров Г.Д. Подводный лазерный прибор для измерения спектра размеров частиц взвеси в море. Физика атмосферы и океана, 1971, Jf? 9, с.1015-1018.

65. Копелевич О.М. Рассеяние света морской водой. Автореф. дисс. на соиск.учен.степени канд.физ.-мат.наук, М., 1971, 20с. Институт океанологии АН СССР.

66. Лагунов A.C., Байвель Л.П., 1усев Б.А. Определение дисперсности состава аэрозолей методом рассеяния света под малыми углами. Журнал прикладной спектроскопии., 1969, т.XI, № I, с.98-103.

67. Сальман М.А. Распределение по размерам капель ртути,разбрызгиваемых фиксированным катодным пятном. Журнал технической физики, 1970, вып.4, т.40, с.872-874.

68. Сальман М.А. Исследование возможности объемной конденсации ртути в ионизированном ртутном паре. Журнал технической физики, 1970, т.40, в.4, с.875-882.

69. Большаков Г.Ф., Литвинов B.JI. Метод определения частиц твердой фазы в топливах. Химия и технология тошшв и масел, 1968, & 5, с.58-61.

70. Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. Л., Недра, 1974, 318с.

71. Петров Г.Д., Соколов Р.Н. Определение спектра размеров частиц цилиндрической формы по малоугловой индикатрисе рассеяния. Инженерно-физический журнал, 1972, № 5, с.890-893.

72. Прокофьев В.К. Фотографические методы количественного спектрального анализа металлов и сплавов. М., Л., 1951, часть.П.

73. Шифрин K.G., Колмаков И.Б. Влияние ограничения измерения индикатрисы на точность метода малых углов. Физика атмосферы и океана, 1966, № 8, с.851-857.

74. Шифрин К.С. Существенная область углов рассеяния при измерении распределения частиц по размерам методом малых углов. -Физика атмосферы и океана, 1966, № 9, с.928-932.

75. Сович В.А. Психрометрические таблицы. Л., Гидрометеоиз-дат, 1957, 251с.

76. Перри Д.Г. Справочник инженера-химика. T.I, пер. с 4-го аншшзд. под ред.Н.М.Жаворонкова и П.Г.РоманкоЕа, Л., Химия,1969, 640с.

77. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., 1973.

78. Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. Стройиздат, М., 1974, 359с.

79. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., Химия, 1976, 655с.

80. Бешай Р.В., Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С, Определения поверхности контакта фаз методом светорассеяния под малыми углами. Б. у-и деп.научные работы, МХТИ, М., 1984, № 8, б/о 584, Юс.

81. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М., изд. АН СССР, 1955,351с.

82. Лагунов A.C., Лебедюк Г.К., Байвель Л.П., Гусев Б.А., Литвинов В.К. Применение метода рассеяния света для исследования скруббера Вентури. Промышленная и санитарная очистка газов, 1972, № I, с.1-4.

83. Лагунов A.C., Байвель Л.П., Гусев Б.А., Литвинов В.К. Определение спектра размеров капель влаги в узкой части скруббера Вентури при различных режимах его работы. Физика аэродисперсных систем, 1973, вып.8, с.61-63.

84. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Химия, М., 1981, 560с.

85. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. Изд. 2-е, М., Физматгиз, 1959, 669с.